基于復(fù)合磨蝕試驗臺的滾刀磨損試驗研究

王 凱, 陳 饋， 孫振川， 楊延棟, 趙海雷, 李 星

(盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

全斷面隧道掘進機(tunnel boring machine, TBM)作為巖石隧道最先進的施工裝備，在我國已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。盤形滾刀是TBM滾壓破碎巖石的關(guān)鍵部件，工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，使得按照統(tǒng)一性能標準生產(chǎn)的滾刀普遍存在刀圈地質(zhì)適應(yīng)性差、磨損嚴重等問題[2]。滾刀常見磨損形式包括刀圈正常磨損和非正常磨損，其中： 刀圈正常磨損是滾刀磨損主要形式，占比80%～90%； 非正常磨損包括刀圈偏磨、卷刃、斷裂、崩刃、軸承失效等[3]。由統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明： 刀具的消耗費用和維護更換時間分別占項目成本和工期的30%～40%，在高磨蝕及軟硬不均地層中這2項指標還會上升[4-5]。為降低項目成本，提升施工效率，對滾刀磨損規(guī)律開展研究十分必要。

目前國內(nèi)學(xué)者針對滾刀磨損已做了大量研究，主要方法有半理論公式法和現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸法。張厚美[6]用解析法研究了滾刀磨損與滑動距離的關(guān)系； 楊媛媛等[7]綜合多種巖石參數(shù)提出圍巖等級數(shù)概念，并據(jù)此預(yù)測滾刀消耗量； 祝和意等[8]結(jié)合破巖力理論公式、磨粒磨損假說理論，推導(dǎo)出磨損速率預(yù)測模型； Wang等[9]通過滾刀破巖受力模型推導(dǎo)滾刀破巖摩擦功的方程，基于能量磨損定律對滾刀磨損進行預(yù)測； 魏忠良[10]依據(jù)西秦嶺隧道工程數(shù)據(jù)，對影響刀具消耗的因素進行了回歸分析，提出調(diào)整掘進參數(shù)、降低刀具消耗的方法； 許黎明等[11]采用廈門軌道交通2號線已掘進段滾刀磨損數(shù)據(jù)來預(yù)測跨海段刀具磨損并提出刀具更換建議。

上述滾刀磨損研究為工程實踐提供了一定參考，但滾刀磨損涉及多因素耦合作用，半理論公式預(yù)測準確性不足，現(xiàn)場磨損數(shù)據(jù)回歸又存在滯后的缺點。針對這些問題，本文擬采用小尺寸滾刀并借助滾刀復(fù)合磨蝕試驗臺進行室內(nèi)試驗，研究不同巖性、幾何參數(shù)、掘進參數(shù)下滾刀的磨損規(guī)律，并驗證該方法的有效性。

1 試驗設(shè)計

1.1 滾刀復(fù)合磨蝕試驗臺簡介

試驗用滾刀復(fù)合磨蝕試驗臺，能進行滾刀破巖磨蝕過程模擬、滾刀巖機作用純滾動破巖磨損過程試驗、盾構(gòu)刀具帶壓工況模擬等多種試驗，數(shù)據(jù)采集功能齊全[12]。試驗臺如圖1所示，由主機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、測試與控制系統(tǒng)3部分組成。主機系統(tǒng)由框架、工作裝置和動作執(zhí)行裝置3部分組成。工作裝置由滾刀和巖樣等組成； 水平動作執(zhí)行裝置由液壓缸驅(qū)動，控制貫入巖石的速度或力； 垂直動作執(zhí)行裝置由伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠副做往復(fù)直線運動，控制滾壓的速度。高精度運動由EDC全數(shù)字伺服控制器配合傳感器經(jīng)PID閉環(huán)控制實現(xiàn)。

1.2 刀具及巖石試樣制備

試驗用的滾刀如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場配置的滾刀按1∶10縮小，在坯料選取、機加工工藝、熱表處理上均與現(xiàn)場滾刀一致。試驗用滾刀材料采用40CrNiMo，成分見表1，制造工藝路線為毛坯模鍛—粗車—半精車—真空熱處理—精磨—打標記—涂漆—包裝。熱處理工藝對滾刀性能影響較大，研究采用1次淬火、3次回火的熱處理工藝，即在1 040 ℃進行真空爐油淬，而后在520～540 ℃、500～520 ℃和500～520 ℃進行3次回火。滾刀硬度值由刃部至內(nèi)圈逐漸減小，表面硬度為HRC56.5、芯部硬度為HRC51，沖擊韌度為30～40 J/cm2，具有較好的綜合力學(xué)性能。

試驗用滾刀按照表2要求制備不同直徑、刃寬和刃形的7組滾刀。滾刀直徑分4.318 cm(1.7英寸)、4.826 cm(1.9英寸)和5.080 cm(2.0英寸)3種； 刃形分平刃和圓刃R1 mm 2種； 刃寬分1.3 mm、1.6 mm和1.9 mm 3種。同時，保證滾刀在材料、機械加工工藝、熱表處理工藝上的一致性。

(a) 試驗裝置原理圖

(b) 試驗裝置實物圖

圖2 試驗用滾刀

表1 滾刀材料化學(xué)成分

表2 試驗用滾刀組別

試驗所用巖樣由工程所在地巖石加工而成，制成332 mm ×72 mm × 72 mm長方體狀以便在巖箱中裝夾，如圖3所示。為防止試驗過程中巖樣發(fā)生抖動和滑動，在巖樣寬度方向施加一定的壓力，使巖樣和巖箱之間的接觸保持協(xié)調(diào)[13]。

圖3 試驗用巖樣

1.3 滾刀磨蝕試驗設(shè)計

通過滾刀磨蝕試驗研究巖性、刃寬、刃形、滾刀直徑和貫入速度對滾刀磨損的影響，試驗分為5組，見表3。第1組對6種不同巖性的巖樣進行試驗； 第2組對A(1.9 mm)、B(1.6 mm)、C(1.3 mm) 3種刃寬的滾刀進行試驗； 第3組對A(平刃)、F(圓刃R1 mm)2種刃形的滾刀進行試驗； 第4組對B(4.826 cm)、D(4.318 cm)、E(5.080 cm)3種直徑的滾刀進行試驗； 第5組為B組滾刀在0.20 mm/min、0.16 mm/min和0.12 mm/min 3種貫入速度下進行試驗。

1.4 滾刀磨蝕試驗步驟

試驗在常溫干態(tài)下進行，巖屑盒中不添加巖屑，不考慮二次磨損作用。試驗前用天平測量巖石和滾刀的初始質(zhì)量，對第1組試驗還需用巖石磨蝕伺服實驗儀測量6種巖樣的CAI值。根據(jù)試驗要求將對應(yīng)巖樣裝入夾具中，同時將對應(yīng)滾刀裝入刀座，點動操作使?jié)L刀移至下限位處； 采用力控制模式，設(shè)定接觸力為0.5 kN，使?jié)L刀與巖樣接觸。滾壓速度統(tǒng)一設(shè)定為17.8mm/s，滾壓行程為250 mm，加上電機換向時間的單程耗時為15 s，貫入速度由試驗要求設(shè)定。滾刀沿某一位置往復(fù)運動50次，耗時25 min后自動停止。此時累計滾壓距離為25 m，如貫入速度為0.20 mm/min，則累計貫入5 mm。測滾刀磨損質(zhì)量與產(chǎn)生的巖渣質(zhì)量，調(diào)整巖樣位置，按設(shè)定參數(shù)繼續(xù)滾壓。單個巖樣滾壓1個面，面上切割4道槽，槽間距為10 mm，每個槽滾壓25 m，則單個巖體滾壓4道槽，累計滾壓100 m。取3個巖樣累計滾壓300 m完成1組試驗中的1個子項。重復(fù)上述步驟，完成所有試驗內(nèi)容。磨蝕后巖樣如圖4所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同巖性對磨損的影響

6種巖樣的滾刀磨損量統(tǒng)計見表4。閃長巖、灰?guī)r、大理巖的抗壓強度較高(分別為100、120、170 MPa)，但其CAI值均處在相對較低的水平； 砂巖的抗壓強度較閃長巖、灰?guī)r、大理巖都低，但百米磨損量卻遠高于三者，可以推測磨損量與巖石CAI值具有一定的相關(guān)性。花崗巖(引漢濟渭)和花崗巖巖樣均有較高的CAI值，對滾刀的磨蝕性都很高； 對比花崗巖(引漢濟渭)和大理石巖樣，二者抗壓強度相當，但前者CAI值是后者的2.6倍，對應(yīng)滾刀磨損量卻是后者的7.1倍。由于花崗巖抗壓強度較低，在花崗巖磨蝕試驗中刀具未發(fā)生卷刃現(xiàn)象，花崗巖的滾刀百米磨損量9.3 mg稍高于花崗巖(引漢濟渭)的滾刀百米磨損量8.0 mg，這主要歸結(jié)于花崗巖具有較高的CAI值。通過對上述試驗結(jié)果進行擬合，得到滾刀百米磨損量mwear與CAI值的關(guān)系為mwear=0.784 5×CAI2，如圖5所示。

滾刀的磨損與巖石的抗壓強度有一定的關(guān)系，但占據(jù)主要影響因素的是巖石磨蝕性指標CAI。這與文獻[14]的研究相吻合，證明采用小尺寸滾刀研究滾刀磨損規(guī)律是可行的，通過對巖樣的CAI值進行測量可初步評估該地層下滾刀的消耗。

表3 滾刀磨蝕試驗組別

圖4 磨蝕后的巖樣

Table 4 Statistics of CAI values and rock mass deduction per hundred meter

巖石名稱抗壓強度/MPaCAI/(×10-1mm)滾刀百米磨損量平均值/mg大理巖1701．481．3閃長巖1001．581．7微晶灰?guī)r1201．672．3石英砂巖602．513．4花崗巖(引漢濟渭)1803．878．0花崗巖804．319．3

圖5 滾刀百米磨損量與CAI關(guān)系曲線

Fig. 5 Relationship between CAI values and cutter wear per hundred meter

2.2 滾刀刃寬對磨損的影響

不同刃寬的滾刀磨損質(zhì)量隨滾壓距離的關(guān)系如圖6所示，隨著滾壓距離增加磨損質(zhì)量近似呈線性增加，表明滾刀刀圈為正常磨損。3組滾刀平均推力均保持在4.5～4.6 kN，滾刀所受推力載荷并未因刃寬減小而降低。由百米滾壓距離的巖渣量發(fā)現(xiàn)： 1.3 mm刃寬的出渣量為84 g，1.6 mm刃寬的出渣量為125 g，1.9 mm刃寬的出渣量為232 g。1.3 mm刃寬的滾刀所產(chǎn)生巖渣以粉狀居多，而狹長的塊狀巖渣偏少； 判斷其原因是由于窄刃滾刀相對寬刃滾刀貫入能力強，但貫通能力減弱。

圖6 不同刃寬滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 6 Relationships between cutter wear and rolling distance under different cutter widths

比能是從能量角度評價破巖效率的一個重要指標，即切削單位體積巖石所做的功。比能小表示切削巖體耗能少，破巖效率高。比能計算公式為：

式中： SE為比能，J/m3；FR為平均滾動力，kN；l為巖石切割長度，m；V為破巖體積，m3。

計算比能后發(fā)現(xiàn)： 1.3 mm刃寬的滾刀破巖比能最大，這說明窄刃滾刀作用下裂紋無法有效擴展，巖石間貫通能力較弱，破巖耗能多，效率低。當破巖效率低時，產(chǎn)生的巖片較少，而巖粉較多[15]。

結(jié)合磨料磨損假說，單位滑動距離磨損體積

式中：Ks為磨粒磨損系數(shù)，與磨粒硬度、形狀尺寸和起切削作用的磨粒數(shù)量等因素有關(guān)；W為法向載荷；σs為被磨損材料的屈服強度。

較小的磨粒尺寸對應(yīng)較小的Ks，進而刀具磨損也小。小刃寬導(dǎo)致局部接觸壓力增大，易產(chǎn)生更多小尺寸的巖石粉末，對滾刀磨損作用減弱。磨損質(zhì)量與刃寬正相關(guān)，接觸區(qū)域越大，磨損越嚴重，但受刃寬尺寸的補償作用，同樣滾壓距離下寬刃滾刀徑向變化小且破巖效率高，故建議采用寬刃滾刀。

2.3 不同刃形對磨損的影響

試驗過程中平刃滾刀出現(xiàn)了明顯的卷刃現(xiàn)象，而圓刃R1 mm滾刀磨損后幾乎無卷刃現(xiàn)象出現(xiàn)。分析原因為： 平刃滾刀刀圈的過渡區(qū)域存在應(yīng)力集中從而造成材料的塑性變形，發(fā)生卷刃變形，而過渡圓角的設(shè)計則避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。不同刃形的滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線如圖7所示，相同滾壓距離下圓刃滾刀的磨損質(zhì)量比平刃滾刀低約50%，2組試驗在推力和出渣指標上相差不大。分析認為： 圓刃滾刀設(shè)計既有利于壓碎的巖石顆粒流動，降低接觸區(qū)壓力，同時圓刃滾刀能夠消除刀刃過渡處局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因而材料從刀圈上剝落速度慢。圓刃滾刀表現(xiàn)出較好的耐磨性，可認為是平刃滾刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖7 不同刃形滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 7 Relationships between cutter wear and rolling distance under different cutter shapes

2.4 滾刀直徑對磨損的影響

不同直徑滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離的關(guān)系曲線如圖8所示。4.318 cm(1.7英寸)滾刀隨滾壓距離增大磨損程度逐漸增加，主要由于試驗中滾刀出現(xiàn)了卷刃的現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損加劇。文獻[16]認為滾刀磨損主要是摩擦功引起材料脫離本體，摩擦因數(shù)由材料的硬度及滾刀直徑共同影響，通過試驗發(fā)現(xiàn)滾刀的磨損質(zhì)量與滾刀直徑相關(guān)性不明顯。考慮到滾刀直徑越大其允許的磨損量也越大，如43.18 cm(17英寸)滾刀允許的最大磨損量為25 mm，而48.26 cm(19英寸)滾刀允許的最大磨損量為30 mm； 同時，相同的滾壓距離下大直徑滾刀邊緣區(qū)域與巖石接觸次數(shù)少于小直徑滾刀，有利于減少磨損； 因此，在硬巖條件下建議采用大直徑滾刀，其單邊允許磨損量大，滾刀使用壽命延長，可使換刀頻次降低。

圖8 不同直徑滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 8 Relationships between cutter wear and rolling distance under different cutter diameters

2.5 滾刀貫入速度對磨損的影響

貫入速度是衡量掘進的一個重要參數(shù)，要保持高的貫入速度必須提供較大的推力來維持，貫入速度0.12 mm/min、0.16 mm/min和0.20 mm/min 3組試驗平均推力分別為3.9、4.1、4.6 kN。不同貫入速度下滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線如圖9所示。滾壓距離為300 m時，貫入速度0.20、0.16、0.12 mm/min對應(yīng)的滾刀磨損質(zhì)量分別為22、25、12 mg。一般情況下，貫入速度越大滾刀磨損質(zhì)量也越大，而貫入速度0.20 mm/min比0.16 mm/min的磨損質(zhì)量略有下降，推測是由于巖石為脆性材料，在大貫入速度下成片剝落比例增大，對滾刀磨損程度減輕。

圖9 不同貫入速度下滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 9 Relationships between cutter wear and rolling distance under different penetration rates

為便于比較，換算成單位貫入深度下滾刀磨損質(zhì)量，0.12 mm/min(300 m滾壓距離下滾刀磨損量為12 mg，累計貫入巖石深度為36 mm)和0.20 mm/min(300 m滾壓距離下滾刀磨損量為22 mg，累計貫入巖石深度為60 mm)貫入速度下的單位掘進距離滾刀磨損質(zhì)量分別為0.33、0.37 mg/mm，比0.16 mm/min(300 m滾壓距離下滾刀磨損量25 mg，累計貫入巖石深度為48 mm)貫入速度下的單位掘進距離滾刀磨損質(zhì)量0.52 mg/mm分別低約37%和29%。對于本試驗，0.20 mm/min貫入速度附近的單位掘進距離滾刀磨損質(zhì)量處于較低水平。

0.12 mm/min、0.16 mm/min和0.20 mm/min 3種貫入速度下出渣量對比如10所示。結(jié)合力、巖渣量分析比能，0.20 mm/min貫入速度下的比能是0.12 mm/min貫入速度下的26.6%。貫入速度0.20 mm/min附近對應(yīng)較小的比能，裂紋得到擴展，破巖效率高且耗能少，巖渣形態(tài)表現(xiàn)為狹長的塊狀巖渣增多、粉狀巖渣減少，大塊巖渣直接剝落減少了刀具與巖石之間的接觸作用，有利于降低刀具磨損； 因此，掘進中宜選擇較大的貫入速度，既能減少刀具磨損，又能提高破巖效率，而具體的貫入速度區(qū)間還需要通過試掘進進一步確定。

圖10 不同貫入速度下出渣量

Fig. 10 Rock discharge amounts under different penetration rates

3 結(jié)論與討論

應(yīng)用滾刀復(fù)合磨蝕試驗臺，通過開展不同巖性巖樣、幾何參數(shù)(刃寬、刃形、直徑)、貫入速度下的滾刀磨損試驗研究，得出如下結(jié)論：

1)刀具的磨損與巖石CAI值的平方存在正相關(guān)，通過測量巖石CAI值能初步估計刀具的消耗水平。

2)刃寬、刃形對刀具磨損影響較大。單位掘進距離下寬刃滾刀磨損質(zhì)量大，由于刃寬因素的補償影響，徑向尺寸變化較小，同時破巖效率高，所以寬刃滾刀優(yōu)于窄刃滾刀； 圓刃刀具耐磨性顯著高于平刃刀具，因而優(yōu)選圓刃滾刀； 直徑因素本身對磨損影響不大，但大直徑滾刀具有徑向磨損量大的優(yōu)勢，能減少換刀頻次，因而在硬巖地層推薦使用大直徑滾刀。

3)隧道掘進中偏向選擇較大的貫入速度，通過現(xiàn)場貫入速度試驗，調(diào)整貫入速度處于較優(yōu)的區(qū)間內(nèi)，可以提高TBM在巖石地層的掘進性能，既能減少刀具磨損，又能提高破巖效率，結(jié)合定期的刀盤檢查和刀具磨損檢測對刀盤、刀具進行適時維修、更換，使隧道開挖更加安全、高效和經(jīng)濟合理。

由于試驗臺所限，在往復(fù)滾壓運動中滾刀貫入巖石與實際TBM滾刀破巖存在一定差異，需進一步改進試驗平臺。刀圈的硬度和韌性也是影響滾刀地層適應(yīng)性的關(guān)鍵因素，是本課題下一步研究的方向。

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